地震勘探仪的发展与趋向刍议

来源：中文期刊网位置：自然科学时间：13-05-28 09:01

遥测仪具有很多优点:如基于分布式数据采集的设计理念，提高了的带道能力，适合三维地震勘探;大线中传输的数据为数字信号，大幅降低了信号传输过程中的道间串音、天电干扰、工频干扰等影响;去掉了转换开关、瞬时浮点放大器和模拟滤波器等，减轻外设和系统质量，降低了功耗，提高了工作效率;采用24位A/D转换器，使记录动态范围增大、量化误差(白噪声)减小;采样率大幅提高，波形畸变减小，频带宽度增大，串音减小;另外，采用遥测技术实现数据的网络传输，传输速率增加，可以实现实时采集;在地震仪中植入GPS(GlobalPositioningSystem)授时系统［9］，使地震仪可以独立定位、同步授时。当然，该仪器也存在一些缺点，如检波器和采集站之间传输的信号为模拟信号，处于数据采集前端的检波器的动态范围一般只有50～60dB［10］，采集道数增加后仪器系统显得笨重等。第5代———全数字遥测地震仪2002年，ION公司首次研制出MEMS(MicroE-lectroMechanicalSystems)加速度检波器。可以替代传统的动圈式传感器，地震勘探仪又进入了一个新的发展阶段。目前，以MEMS检波器接收为特征的全数字遥测地震仪中，无线采集系统的代表性仪器有FireFly、Hawk、UNITE，有线采集系统的代表性仪器有428XL、System－Ⅳ等，核心技术与器件为MEMS技术全数字传输记录。该采集系统的外设能耗低、质量小、斜角度可达±180°、带道能力可达10万道，采用三分量全数字传感器接收，动态范围达120dB(4ms)、失真小(－90dB)、频带宽(0～800Hz)［11］，幅频特性好、数据传输可靠性高，具有超低噪声、动态范围大、向量保真度高等优点［12］，一些地震勘探队伍也已引进了设备。全数字遥测地震仪的主要特点有:①采用MEMS数字检波器，解决了高频信号接收的问题;②检波器直接输出数字信号，大幅提高了信号保真度;③采用新工艺使仪器的集成度更高、体积更小、质量更小、耗电更少。目前，地震仪正处于由多道遥测向全数字地震仪跨越的进程中，各代地震勘探仪性能。

地震勘探仪升级换代的启示

1)社会发展对能源的巨大需求是地震勘探仪升级换代的直接推动力。从18世纪英国革命开始，人类对能源的依赖越来越大。特别是从20世纪50年代开始，西方发达国家相继进入高度工业化阶段，世界能源消耗量猛增。在1950—1980年期间，世界能源消耗量从25亿t增长至100亿t标准煤;随着发展中国家的兴起，世界能源消费量出现了再一次迅猛增长，到2000年能源消耗量超过了200亿t标准煤;近10年来，许多发展中国家正处于城市化和工业化的进程中，世界能源消费量还在持续增长［16］。据英国BP公司2011年发布的能源:2010年非经合组织国家一次能源消费比2000年高出了63%，未来20年世界能源消费量还会增长40%。地球作为人类赖以生存和发展的物质源泉，满足了社会发展进步对能源的需求，从1926年在美国奥克拉荷马洲的沉积盆地上根据反射地震记录解释布置的钻孔第1次打出工业油流之日起，地震勘探技术就以其独有的技术优势在地下、与资源的探测中发挥着不可替代的作用，且随着探测深度的增加、勘探难度的加大，推动了地震勘探技术从仪器装备、处理软件和解释方法上不断发展，以满足提高勘探精度和作业效率的要求。2)地震勘探方法技术的进步对地震仪更新提出了更高要求。20世纪50年代，地震勘探方法中多次覆盖技术的萌芽和出现，促进了光点记录地震仪被模拟磁带记录地震仪所取代;60年代，反褶积技术和速度滤波技术的提出，数字地震仪迅速替代了模拟磁带记录地震仪，而在70年代提出的三维地震勘探技术，对地震仪的带道能力有更高的要求，多道遥测数字地震仪应运而生;至90年代高精度三维地震勘探技术要求仪器必须解决高频信号的瓶颈问题，全数字遥测地震仪开始出现;高密度全数字三维地震勘探概念的提出，成为万道地震仪面世的第一推手［17］。随着多分量地震勘探技术、时移地震技术的不断推广应用，以解决复杂地区的勘探问题及提高油藏采收率［18］，今后地震勘探技术对地震仪器高精度、轻便性、灵活性等方面将提出了新的要求。3)技术的进步给地震仪升级带来了发展机遇。生产需求是地震勘探仪升级改造的内在动力，而、、、电子、、新材料和新工艺等相关学科的发展和进步，则是地震勘探仪发展的内在动力。伴随着电子技术从电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路到超大规模集成电路以及MEMS、FPGA(Field－ProgrammableGateArray)等技术发展，地震仪器一直朝着体积小、质量小、功耗低、功能强、高可靠性、便携性等方向发展。近年来，纳米电子技术发展迅速，电子器件面临新的变革，纳电子器件的体积功耗比硅电子器件小几个数量级。2011年4月，美国匹兹堡大学制造出核心组件直径只有1.5nm的超小型单电子管，预示着高密度超大规模纳米集成电路和纳米计算机的诞生已经成为可能［19－20］，预计未来的地震仪也将随着纳米技术的发展进入一个全数字纳米地震仪时代。

我国地震仪器的发展方向

在新一轮的资源勘探中，地震勘探技术不可避免地将会遇到来自更大深度、更加隐蔽、勘探难度更大的复杂地质目标的挑战，地震勘探将会更多地深入到复杂的山地、沙漠、戈壁、煤矿井下、无人区甚至深海等开展工作［21－22］。面对众多的、恶劣的勘探条件，对新型地震勘探仪的设计和制造提出了更高的要求，而这一切也必将成为地震仪不断更新换代的内在动力。在内外动力的驱动下，预计国内地震仪会朝着以下2个方面发展。1)超万道国产化大型地震仪将逐渐得到推广应用。2011年12月，李庆忠院士指出目前国内几乎所有地震仪都是外国制造的［23］。国内生产的地震仪器大多为集中式的小型工程地震仪，仅适合于浅层地震反射法和折射法勘探，如重庆地质仪器厂的高分辨率(浅层)地震仪DZQ48/24/12、西安石油厂的工程地震仪GDZ24/48及骄鹏集团的SE2404PLUS综合工程探测仪等，其最大带道能力为48道［24］。“十一五”期间，我国将大型地震勘探仪研制列为重大专项的攻关项目，1.2亿元，已于2010年推出了ES109大型地震数据采集记录系统，其整体性能达到国际先进水平，从此结束了地震勘探仪一直依赖进口的被动局面，该仪器有待于通过大量的工程实践加以完善、尽快定型，以投入产品化、工业化的生产和应用。另外，2010年东方物探公司与ION公司合资成立了INOVA(英洛瓦)物探公司，标志着我国地震仪制造技术与世界先进技术的融合越来越紧密。预计万道地震仪将逐步在石油天然气与煤炭资源的精细勘探中得到进一步的推广应用。2)节点式多道遥测地震仪将成为赶超国外先进地震仪器的突破口。基于节点式的单站、单道、存储式/无线数据传输等特点设计的地震仪，今后将会更加广泛地用于天然地震监测、OBC地震、煤矿井下地震勘探、微震监测、时移地震等多个特殊领域中，该类仪器由于没有传统地震仪的主机、干线等而显得十分轻便，适于在各种复杂条件下使用，几乎能够适应任何复杂的观测系统要求，且具有极高的施工效率。以前，在大型地震仪器的设计与生产过程中，由于采用的元器件品种繁多、系统复杂等原因，国内生产的地震仪通常存在整体稳定性欠佳等缺点;而基于节点式的地震仪器，从设计、施工理念上摆脱了传统束缚，采用基于MEMS的传感器、FPGA数字电路设计等，极大地降低了地震仪设计与制造的复杂性。

未来地震仪发展趋势的预测

随着地震勘探的技术进步，今后地震勘探将向着高密度、三维、全波场、高分辨率、超多道地震勘探等方向发展［25］，因此新一代地震勘探仪的设计与制造，将具有节点式、单站单道、三分量、全数字、GPS定位与授时、自记存储式与无线通信方式结合、智能化以及便携式等方向发展。节点式单站单道采集节点采集［26］是指单站单道作为一个采集节点，采集站就地采集地震记录，最后进行数据统一回收。A/D转换位数将提高到32bit或更高，如INOVA公司2012年推出的FireFlyDR31、HawkSN11的A/D转换已经达到32bit［27］。节点式地震仪将集电源、检波器、采集站于一体，减小质量近50%～75%的电缆部分［28］，野外工作时只需带1个集成的采集站，摆放灵活，无需等待放线查道，随时放炮即可随时接收，仪器将采用太阳能板供电，从而大幅提高工作效率;实现地震勘探真正的高效作业，避免地震信号远距离传输带来的保真度、信噪比和抗干扰性降低的问题，特别适合复杂地形、超多道等条件下的地震勘探。自记存储式和无线通信方式结合目前，地震仪的数据传输大多数是基于分布式地震采集站的蜂窝网络有线数据传输系统，该系统对于上万道以至几十万道的地震采集，其数据传输能力将受到挑战，且整个采集系统的后勤保障将更加庞大而不堪重负。随着WiFi、Wimax等无线通信系统的快速发展，地震勘探中的无线数据采集系统发展很快，今后地震仪的数据通信方式如能采用存储式和无线通信方式相结合的数据通信方式，既能满足实时监测的要求，且保证信号的不失真，将大幅减少野外工作量，为Sercel公司无线地震仪UNITE和有线地震仪428XL混合无缝地震采集示意［29］高密度全数字三分量信息采集由于煤炭、油气田勘探目标越来越复杂，常规的面元大小、单分量的地震采集已不能完全满足高分辨率地震勘探要求，高密度、全数字、三分量地震数据采集不但有利于复杂构造的分析，且能够为岩性地震勘探、各向异性介质地震勘探等提供丰富的第一手资料，将成为今后地震勘探技术发展的一个必然趋势。4.4高精度GPS定位与授时对于多道地震采集系统异地同步采集而言，时间同步是一个极其重要的因素，决定了地震勘探的准确度;同样，地震检波器与炮点的定位精度，对于高精度地震勘探尤为重要，可为后续地震数据处理提供高精度的位置信息。目前，GPS同步授时系统的精度可达纳秒级、位置定位精度达到厘米级，今后地震节点式采集站内置高精度GPS模块后，将确保多道采集站走时一致性和高精度的空间定位精度。采集站太阳能供电系统电源系统可以采用太阳能供电，即白天太阳能电池将太阳能转换成电能对蓄电池充电，同时为采集系统供电，夜晚蓄电池放电维持采集系统的正常工作等。综上所述，地震勘探仪历经60多年的发展，从光点记录地震仪发展到全数字地震仪，仪器的性能和技术指标不断得到改善。但是，我国地震勘探仪的设计和生产制造能力还不成熟，关键的勘探仪设备、资料处理软件［30］几乎全部依赖进口。一旦我国的物探技术开始走出国门、参与世界市场竞争的时候，如果缺乏拥有自主知识产权的核心技术与装备，地震勘探仪将面临国外垄断公司的威胁。因此，在学习世界一流地震勘探仪的同时，更要加强自主创新和拥有自主知识产权，大力发展国产化大型地震仪。今后，应该抓住机遇，不失时机地加快推广国产化万道地震仪、抓紧研发节点式单站单道三分量全数字地震仪，以彻底摆脱地震勘探仪长期依赖进口的被动局面，早日形成适合我国复杂条件下的地震勘探仪。

作者：程建远 王盼 吴海 江浩 单位：中国煤炭科工集团西安研究院 西安大学